Parasitärer Pilz, der zum Welken und Absterben von Pflanzen führt, befällt verschiedene Nutzpflanzen und richtet verheerende Schäden an
Mehr als 120 Formen von Fusarium oxysporum (Fo), die jeweils an eine bestimmte Nutzpflanze angepasst sind, verursachen weltweit riesige wirtschaftliche Verluste. „Ein kürzlich aufgetauchter Stamm namens Tropical Race 4 droht derzeit die weltweite Bananenproduktion zu vernichten“, so Antonio Di Pietro, Projektkoordinator und Professor für Genetik an der Universität Córdoba.
Parasitenmoleküle „sprechen“ mit der Wirtspflanze
Die Forschungsgruppe untersuchte die Wechselwirkung von Fo mit vier verschiedenen Pflanzenarten: Tomaten, Bananen, der Modellpflanze Arabidopsis und der urtümlichen Landpflanze Marchantia polymorpha. „Auf diese Weise können wir die konservierten Mechanismen bestimmen, die den biotrophen bzw. Lebendzell-Infektionsstadien der Fo-Welkekrankheit während der Wechselwirkung mit einem breiten Wirtsspektrum zugrunde liegen“, erläutert Di Pietro. Diese Forschung wurde im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen unterstützt. Vor einiger Zeit entdeckte das Forschungsteam einen chemotropischen Sensormechanismus, mit dem dieser Pilz Pflanzen im Boden lokalisiert und in Richtung der von den Wurzeln freigesetzten chemischen Lockstoffe wächst. Der Eindringling wächst dann lautlos in der Wurzel heran und besiedelt das Leitgewebe, was häufig zum Absterben der Pflanze führt. Eine zweite Art des Crosstalks tritt auf, wenn sich der Pilz zwischen den Zellen der Wurzelrinde, dem Apoplast, ausbreitet. Di Pietro erklärt: „Mithilfe von Proteomik suchen wir bei beiden Parteien nach wichtigen Signalmolekülen, die wahrscheinlich den biotrophen molekularen Dialog prägen.“
Die Umgehung des pflanzlichen Immunsystems ist der Schlüssel zu einer erfolgreichen Infektion
FOUNDATION hat noch nie dagewesene Einblicke in die frühen Infektionsstadien und den molekularen Dialog mit den zahlreichen Pflanzenwirten gewährt. So hat die Forschungsgruppe beispielsweise die Pathogenitätsmoleküle (Effektoren) ermittelt, welche die Kompatibilität zwischen Pilz und Pflanze vermitteln. Da der Erreger durch die Freisetzung dieser Effektoren virulenter wird, wandten sich die Forschenden M. polymorpha zu, einem neu entwickelten Modellinfektionssystem. Amey Redkar, Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiat, erläutert dazu: „Wir wollen die Funktion der ermittelten Virulenzproteine in dieser alten, frühen Nicht-Gefäßlandpflanze bestimmen, um zu verstehen, wie sich pathogene Effektorproteine entwickelt haben.“
Anwendungen zur Resistenz gegen Krankheitserreger bei anderen Nutzpflanzen
Die im Rahmen des Projekts FOUNDATION erworbenen Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die monogene Resistenz gegen Fo auf der molekularen Erkennung von Pilzmolekülen durch bestimmte Rezeptoren in der Wirtspflanze beruht. Dies löst dann die pflanzliche Immunantwort aus. Erreger können jedoch ihre Moleküle verändern oder das Abwehrsystem der Pflanze mit speziellen Effektorproteinen angreifen, um so die Immunantwort zu unterdrücken. Detaillierte Erkenntnisse über das „Wettrüsten“ zwischen Fo und seinen Wirten sollten hier neue Resistenzstrategien aufzeigen. Durch die Forschung des Projekts FOUNDATION konnten neue, umfangreiche Datensätze generiert werden, die eine wertvolle Ressource für die Wissenschaftsgemeinde darstellen. „Außerdem können wir jetzt das apoplastische Wurzelproteom während der Fo-Infektion abbauen“, fährt Di Pietro fort. Ein ABPP-Ansatz (aktivitätsbasiertes Protein-Profiling) wurde bisher nur selten in Bezug auf Wechselwirkungen zwischen Pilz und Wurzel erreicht und kann verwendet werden, um fehlende Teile der molekularen Kaskaden für die Entwicklung einer nachhaltigen Resistenz zu finden.
Eine methodische Einschränkung führte zu einem Multi-Modell-Ansatz
Die Gewinnung ausreichender Pilzbiomasse für die Erfassung dieser biotrophen Pilzsignale stellte eine Herausforderung dar. Daher war das Multi-Modell-Wirtssystem von FOUNDATION von entscheidender Bedeutung. Tomaten-Fusarium ist zum Beispiel ein gut charakterisiertes System, das reichlich Wurzelbiomasse für die biochemische Analyse bereitstellt. „Wir haben auch ein aktivitätsbasiertes Protein-Profiling im Bananen-Fusarium-Pathosystem durchgeführt, was ein weiterer seltener Erfolg war“, betont Redkar. Dies bot gleichzeitig Möglichkeiten zur Kreuzvalidierung der Ergebnisse verschiedener Nutzpflanzen. Die Anwendung von Fungiziden im Boden ist heute in den meisten landwirtschaftlichen Umgebungen verboten. Daher ist die Verbesserung der Pflanzenresistenz der effizienteste Weg, um diese verheerenden, schwer zu bekämpfenden Krankheiten in den Griff zu bekommen. Di Pietro fasst zusammen: „FOUNDATION hat wichtige Einblicke in die Molekularbiologie der gefäßbedingten Welkekrankheit gegeben und neue Wege für die Züchtung resistenter Nutzpflanzen eröffnet.“
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FOUNDATION, Pflanze, Pilz, Resistenz, Welke, biotroph, Fusarium oxysporum, Immunantwort, Immunsystem, Züchtung resistenter Nutzpflanzen
